宋俊峰，李齊良，陳 心

(杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

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基于微環(huán)諧振腔的全光分組交換研究

宋俊峰，李齊良，陳 心

(杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

對(duì)基于微環(huán)諧振腔的全光分組交換進(jìn)行了研究.分析了微環(huán)諧振腔的雙穩(wěn)特性，通過(guò)一個(gè)鈮酸鋰調(diào)制器將一組隨機(jī)序列調(diào)制到偏置信號(hào)上，設(shè)置一個(gè)重置信號(hào)，使得輸入的數(shù)據(jù)信號(hào)以低透射態(tài)輸出，設(shè)置信號(hào)輸入時(shí)，數(shù)據(jù)信號(hào)輸出路徑發(fā)生改變，以高透射態(tài)輸出，且設(shè)置信號(hào)和重置信號(hào)的脈沖寬度大于諧振腔電場(chǎng)建立時(shí)間.另外考慮了頻率啁啾引起脈沖前后沿的脈沖波形振蕩及對(duì)系統(tǒng)輸出的影響，最終，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分組交換.

非線性光學(xué)；諧振腔；非線性器件

0 引 言

傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)體積龐大，穩(wěn)定性差，不能滿足現(xiàn)代光通信發(fā)展的需求.越來(lái)越多的研究者致力于尋找體積小、便于集成、穩(wěn)定性強(qiáng)的光器件.微環(huán)諧振腔具備這些優(yōu)點(diǎn)，從而能應(yīng)用于光學(xué)各領(lǐng)域，比如全光開(kāi)關(guān)[1]、快慢光傳輸[2]、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換[3]等領(lǐng)域.文獻(xiàn)[4]對(duì)非線性光纖諧振腔中的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)這種非線性現(xiàn)象進(jìn)行了研究.基于這種光學(xué)雙穩(wěn)性，大量相關(guān)的科學(xué)研究和各類應(yīng)用得到廣泛的關(guān)注[5-7]，全光分組交換就是基于光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)的一個(gè)應(yīng)用，是一種靈活強(qiáng)大的技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中可提高帶寬利用率，從而帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益[8].2015年，文獻(xiàn)[9]利用光子晶體腔的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)了全光分組交換，本文基于非線性光纖構(gòu)成的諧振腔內(nèi)的光學(xué)雙穩(wěn)性，通過(guò)給數(shù)據(jù)信號(hào)加入偏置脈沖信號(hào)和重置脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分組交換功能.光分組交換技術(shù)可應(yīng)用于光科學(xué)的許多領(lǐng)域，例如高速I(mǎi)P子網(wǎng)互聯(lián)骨干網(wǎng)[10].

1 理論模型

圖1為微環(huán)諧振腔的光路示意圖.

圖1 環(huán)形諧振腔中的光路示意圖

本文選擇具有高非線性的材料砷化鋁鎵Al0.2Ga0.8As構(gòu)成微環(huán)諧振腔.假設(shè)雙光子吸收和非線性損耗可以忽略，根據(jù)麥斯威爾的電磁理論，得到光在微環(huán)中的傳播方程[11]：

(1)

折射率n=n0+n2I.其中，n0是線性折射率，n2是非線性折射率，I是微環(huán)中單位面積上的光強(qiáng).α是微環(huán)材料的吸收系數(shù).A(z,t)是微環(huán)諧振腔中光場(chǎng)的慢變包絡(luò)，δ=2π(1/λ-1/λ0)為失諧量，λ信號(hào)波長(zhǎng)，λ0為諧振波長(zhǎng)，諧振頻率w0=c/2πλ0，c是電磁波傳輸速度，z是沿著諧振腔路徑的線性坐標(biāo).

對(duì)于連續(xù)波，本文忽略時(shí)間導(dǎo)數(shù)，并假設(shè)系統(tǒng)是無(wú)損的.輸入信號(hào)Ain和直通輸出信號(hào)A1out、下路輸出信號(hào)A2out以及環(huán)形腔中的光場(chǎng)幅度A1和A4滿足如下關(guān)系：

(2)

通過(guò)求解上式，得到輸出的結(jié)果為：

(3)

(4)

2 雙穩(wěn)態(tài)特性和分組交換開(kāi)關(guān)

仿真中所用的數(shù)據(jù)取值為信號(hào)光波長(zhǎng)λ=1.55×10-6m，線性折射率n0=2，非線性折射率n2=2.5×10-13cm2/W，耦合器c1的直通系數(shù)t1=0.6，耦合器c2的直通系數(shù)t1=0.5，L長(zhǎng)度上總的失諧量為δL=3，傳輸損耗為α=2×10-5μm-1，微環(huán)諧振腔半徑為10.16 μm.

圖2 直通端和下路端的透射系數(shù)隨輸入功率變化的曲線

通過(guò)仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸入功率在0～0.9 W變化的過(guò)程中，諧振腔出現(xiàn)雙穩(wěn)特性，即在0.58～-0.83 W之間.圖2(a)為直通端口的透射率曲線，圖2(b)為下路端口的透射率曲線.諧振腔有兩種輸出狀態(tài)，并且由圖2(a)和圖2(b)可看出，直通端口和下路端口透射系數(shù)之和為1，當(dāng)直通端處于高透射態(tài)時(shí)，下路端處于低透射態(tài)，反之亦然.因此可諧振腔用于全光開(kāi)關(guān)，偏置功率為0.69 W.

基于微環(huán)諧振腔的全光分組交換模型如圖3所示.通過(guò)一個(gè)鈮酸鋰調(diào)制器將一組隨機(jī)序列調(diào)制到偏置信號(hào)上，設(shè)置一個(gè)重置信號(hào)，相當(dāng)于對(duì)偏置信號(hào)加上一個(gè)負(fù)反饋，使得輸入的數(shù)據(jù)信號(hào)以低透射態(tài)輸出，大部分信號(hào)功率從直通端輸出，此時(shí)利用一個(gè)低通濾波器來(lái)抵消掉偏置信號(hào)功率，還原出原始的隨機(jī)序列，當(dāng)設(shè)置信號(hào)輸入時(shí)，相當(dāng)于對(duì)偏置信號(hào)加上了一個(gè)正反饋，使得數(shù)據(jù)信號(hào)改變了輸出路徑，以高透射態(tài)輸出，同樣的，在輸出端口用一個(gè)減法器還原數(shù)據(jù)信號(hào).這樣的輸出狀態(tài)保持直到重置信號(hào)再次進(jìn)入，輸入重置信號(hào)相當(dāng)于加入一個(gè)負(fù)反饋，使得數(shù)據(jù)信號(hào)改變了輸出路徑從直通端輸出.設(shè)置信號(hào)和重置信號(hào)的脈沖寬度大于諧振腔M的電場(chǎng)建立時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分組交換.

圖3 基于微環(huán)諧振腔的全光分組交換開(kāi)關(guān)模型

在仿真中，重置信號(hào)的功率為0.04 W，偽隨機(jī)序列選用PRBS23，功率為2.5×10-3W，數(shù)據(jù)傳輸速率為10 Gbps.設(shè)置信號(hào)功率為0.04 W，開(kāi)關(guān)時(shí)間τswitch可以根據(jù)系統(tǒng)的半高全寬來(lái)估計(jì)，τswitch=2(ln2)1/2T0=2.16 ps，其中T0=1.3 ps，T0為重置信號(hào)和設(shè)置信號(hào)的脈沖寬度.設(shè)置信號(hào)和重置信號(hào)切換的時(shí)間不得低于開(kāi)關(guān)時(shí)間，否則傳輸信號(hào)的過(guò)程會(huì)出現(xiàn)失真.

圖4、圖5顯示的是一個(gè)數(shù)據(jù)的分組交換過(guò)程，圖4(a)顯示的是圖3中a點(diǎn)處已調(diào)信號(hào)的波形圖，圖4(b)是設(shè)置信號(hào)(實(shí)線)和重置信號(hào)(虛線)的脈沖圖形.當(dāng)設(shè)置信號(hào)出現(xiàn)，被調(diào)信號(hào)從下路端輸出，當(dāng)重置信號(hào)輸入時(shí)，被調(diào)信號(hào)改變傳輸路徑從直通端輸出，重置信號(hào)和設(shè)置信號(hào)的脈沖寬度為2.16 ps.圖5為最終在直通端和下路端得到的輸出結(jié)果，即通過(guò)減法器還原得到的初始數(shù)據(jù)信號(hào).從圖5中可看出，當(dāng)加入設(shè)置信號(hào)時(shí)，相當(dāng)于對(duì)已調(diào)信號(hào)加上正反饋，由于雙穩(wěn)特性，輸出功率保持在高透射態(tài).當(dāng)輸入重置信號(hào)時(shí)，相當(dāng)于對(duì)已調(diào)信號(hào)加入一個(gè)負(fù)反饋，輸出功率降至低透射態(tài)并保持此狀態(tài)直到設(shè)置信號(hào)再次輸入.另外，我們發(fā)現(xiàn)下路端口輸出的脈沖前后沿出現(xiàn)振蕩，這是由于諧振波長(zhǎng)處的色散較大，引起了頻率啁啾，使得脈沖前后沿產(chǎn)生波形的振蕩.而直通端口輸出的脈沖沒(méi)有出現(xiàn)脈沖振蕩的現(xiàn)象，那是因?yàn)橐颜{(diào)信號(hào)直接從直通端輸出，并未經(jīng)過(guò)諧振腔產(chǎn)生諧振.最終，我們可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)無(wú)失真的全光分組交換.

圖4 分組交換在時(shí)域上的示意圖

圖5 直通端和下路端的輸出結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)基于微環(huán)諧振腔的全光分組交換進(jìn)行了研究.在忽略時(shí)間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)情況下，分析耦合模方程，研究表明，利用微環(huán)諧振腔的雙穩(wěn)特性可以實(shí)現(xiàn)光的開(kāi)關(guān)效應(yīng)，通過(guò)輸入設(shè)置信號(hào)和重置信號(hào)，使得已調(diào)數(shù)據(jù)信號(hào)在兩個(gè)輸出端口得到不同的輸出功率，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)在兩個(gè)端口的交互輸出，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分組交換功能.通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，諧振腔內(nèi)的頻率啁啾將引起下路端口輸出脈沖前后沿的脈沖波形振蕩.本文的相關(guān)研究為高速光網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和優(yōu)化提供了理論可行的途徑.在今后的研究中，將嘗試使用級(jí)聯(lián)微環(huán)諧振腔來(lái)構(gòu)造全光分組交換，并分析級(jí)聯(lián)微環(huán)諧振腔對(duì)于全光分組交換性能的影響.

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SONG Junfeng, LI Qiliang, CHEN Xin

(SchoolofCommunicationEngineering,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

This paper theoretically investigates all optical packet switching based on micro-ring resonator. Using the bistability characteristics of the micro-ring resonant cavity, we can obtain different output power of the two output ports. By controlling the set signal and the reset signal, we realize the interactive output of the data signal. Finally, we realize the data packet switching function.

nonlinear optics; resonator; nonlinear devices

10.13954/j.cnki.hdu.2016.06.001

2016-05-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(10904028)；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(Y1110078)

宋俊峰(1989-)，男，江蘇南通人，碩士研究生，光纖通信學(xué).通信作者：李齊良教授，E-mail:liqiliang@sina.com.

TN253

A

1001-9146(2016)06-0001-04